Metody regulacji mocy oddawanej przez elektrownie wiatrowe

Elektrownie wiatrowa generuje energię elektryczną w zależności od siły i kierunku wiatru działającego na płaty turbiny. W celu optymalnego wykorzystania siły wiatru i jednocześnie zabezpieczenia turbiny przed uszkodzeniami stosuje się kilka metod regulacji mocy oddawanej przez elektrownię wiatrową.

Wyróżnia się dwie koncepcje pracy siłowni wiatrowej:

- ze stałą prędkością obrotową,

- ze zmienną prędkością obrotową.

Ponadto można mówić o regulacji aktywnej lub o samoczynnym (pasywnym) dostosowaniu prędkości obrotowej turbiny i kierunku ustawienia do wiatru. Samoczynne określenie punktu pracy polega na zastosowaniu profilu płata, który powoduje utknięcie (zahamowanie) wirnika przy dużych prędkościach wiatru. Regulacja aktywna to zmiana kąta ustawienia płatów i kierunku ustawienia elektrowni za pomocą siłowników. Generalnie wszystkie sposoby regulacji mocy oddawanej przez elektrownię wiatrową mają na celu wytworzenie żądanego poziomu mocy przy satysfakcjonującej jakości energii elektrycznej i minimalizacji przejściowych przeciążeń mechanicznych wirnika oraz wału łączącego wirnik z generatorem (co ma wpływ na wydłużenie czasu pracy elektrowni).

Wszystkie siłownie wiatrowe charakteryzują takie parametry pracy jak moc nominalna oraz prędkości wiatru: załączania, nominalna, wyłączania.

Załączanie odbywa się przy prędkościach wiatru (2-6,5) m/s, nominalne warunki pracy to wiatry o prędkościach (9-16) m/s, prędkość wiatru 25 m/s powoduje wyłączenie elektrowni. Dopóki wiatr nie osiągnie prędkości nominalnej dla danego typu elektrowni, strategia sterowania polega na wytworzeniu maksymalnej możliwej mocy. Po wejściu w zakres normalnej pracy dąży się do utrzymania wytwarzanej mocy na nominalnym poziomie.

Rysunek przedstawia zakres pracy i moc generowaną przez siłownię w funkcji prędkości wiatru.

Regulacja ustawieniem elektrowni w kierunku wiatru (Yaw Control)

Regulacja ta polega na obrocie gondoli i tym samym osi obrotu wirnika elektrowni względem kierunku napływającego wiatru. Może ona być zrealizowana w sposób aktywny lub pasywny. Kierunkowanie pasywne jest zapewnione przez umieszczenie chorągiewki kierunkowej na gondoli. Daje to efekt w postaci ustawienia wirnika na wprost kierunku wiatru. Rozwiązanie takie stosowane jest tylko w niewielkich urządzeniach pracujących dla małych odbiorców. W dużych instalacjach, o mocach kilkudziesięciu kilowatów do kilku megawatów, wymagane jest stosowanie aktywnej regulacji kierunku ustawienia. Na szczycie wieży znajduje się zębaty pierścień, który połączony jest z kołem zębatym osadzonym na wale silnika kierunkowego. Silnik obracając się powoduje ustawienie turbiny w odpowiednim kierunku. Ponieważ moc zależy od powierzchni zarysu wirnika, odsunięcie siłowni od głównego kierunku wiatru powoduje zmniejszenie użytecznej powierzchni zarysu wirnika i ograniczenie oddawanej mocy.

Regulacja kąta ustawienia łopat (Active Pitch Regulation)

Układ regulacji mocy przez zmianę kąta natarcia ustawia łopaty na podstawie informacji o wielkości oddawanej mocy i prędkości wiatru. Zazwyczaj w czasie gdy wirnik obraca się płaty przestawiane są o ułamki stopnia. Regulacja taka wpływa na wielkości sił nośnych i hamujących działających na łopaty wirnika. Pozwala ona na utrzymywanie stałej prędkości obrotowej wirnika. Jest również stosowana w siłowniach o zmiennej prędkości obrotowej turbiny. Jednym z rozwiązań regulacji kąta łopat jest układ OptiTip firmy Vestas. Mechanizm regulacji tego układu znajduje się w piaście wirnika i składa się z oddzielnych siłowników hydraulicznych dla każdej łopaty. Stanowi on jednocześnie potrójny system hamulców bezpieczeństwa. System OptiTip ustawia płaty w celu optymalnego wykorzystania turbiny i zarazem minimalizacji poziomu hałasu. OptiTip współdziała z innymi systemami firmy Vestas: OptiSlip oraz OptiSpeed. Wadą systemu aktywnej regulacji ustawienia łopat jest istnienie ruchomych części w konstrukcji turbiny co zwiększa możliwość wystąpienia awarii. Regulacja przez zmianę prędkości obrotowej generatora Regulacja przez zmianę prędkości obrotowej generatora polega na równoczesnym kontrolowaniu zmian prędkości wirnika i generatora oraz kąta natarcia łopat wirnika. Ma to na celu eliminację fluktuacji wytwarzanej mocy i ochronę elementów konstrukcji siłowni podczas nagłych porywów wiatru. Do stosowanych rozwiązań należą układy OptiSlip i OptiSpeed firmy Vestas. W klasycznym układzie regulacji generator asynchroniczny pracuje z prędkością obrotową w zakresie (100-101) % nominalnej prędkości, co dla maszyny 4 - biegunowej oznacza obroty (1500 do 1515) obr/min przy częstotliwości 50 Hz. Jest to tzw. praca ze stałą prędkością obrotową. Układ OptiSlip pozwala zmieniać poślizg maszyny indukcyjnej do 10 % (prędkość (1500-1650) obr/min). Podczas porywu wiatru regulator nieznacznie zwiększa obroty generatora. Jednocześnie zmniejszany jest kąt natarcia łopat wirnika, co zmniejsza obroty turbiny. Skutkiem jest ograniczenie przeciążeń wirnika i systemu mechanicznego oraz gładki przebieg prądu oddawanego do sieci. Rozwinięciem układu OptiSlip jest OptiSpeed. Pozwala on zmieniać prędkość turbiny i generatora do 60 %.

Regulacja przez zmianę obciążenia (Load Control)

Metoda ta polega na zmianie rezystancji stanowiącej obciążenie generatora. W ten sposób "przenosi się" punkt pracy siłowni z jednej charakterystyki mechanicznej na inną, bardziej korzystną dla aktualnie panujących warunków (prędkości i kierunku wiatru). Zmiana rezystancji musi odbywać się łagodnie, zbyt gwałtowny wzrost momentu obciążenia mógłby spowodować uszkodzenie turbiny, wału, łożysk itp.

Regulacja przez "przeciągnięcie" (Stall Regulation)

Jest to metoda pasywna polegająca na wykorzystaniu naturalnej charakterystyki aerodynamicznej wirnika, którego aerodynamiczne właściwości ograniczają moment napędowy przy wyższych prędkościach wiatru. Płaty wchodzą w zakres przeciągnięcia (utykają) gdy laminarny przepływ powietrza nad płatem załamuje się i płat traci siłę nośną. Jest to sytuacja analogiczna do przeciągnięcia skrzydeł samolotu, kiedy brak jest wystarczającej siły nośnej do pokonania sił grawitacji. Płaty są zaprojektowane tak, że stan przeciągnięcia postępuje od osi obrotu płata. Im większa jest prędkość wiatru, tym większa część płata jest w stanie utykania. Zaletą tej formy regulacji jest brak ruchomych części w konstrukcji wirnika (płaty przymocowane są pod stałym kątem) oraz układów aktywnej automatycznej kontroli. Upraszcza to znacznie budowę siłowni. Problemem jest redukcja drgań płatów powstających przy utykaniu i zapewnienie stabilnej krzywej mocy. Ponadto ważnym czynnikiem jest brak możliwości ustawienia płatów w tzw. "chorągiewkę" przy zbyt dużych prędkościach wiatru, kiedy wirnik powinien być zatrzymany.

Regulacja lotkami łopat wirnika (Aileron Control)

Jest to rzadko spotykany sposób regulacji, który był stosowany w początkach rozwoju energetyki wiatrowej. Polega on na zmianie charakterystyki aerodynamicznej łopat przez korekcję ustawienia tzw. lotek. Regulacja taka znajduje natomiast powszechne zastosowanie w lotnictwie podczas startu i lądowania samolotu.

Wszelkie prawa zastrzeżone.
Created by Paweł Premicz 2000-2006 KVM